JP4716392B2 - Payload stabilized platform equipment - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペイロード(payload)を支持構造体の角運動から隔離する被安定化プラットホームシステム即ち装置(stabilized platform system)に関する。
【0002】
【従来の技術】
映画用カメラ及びビデオカメラのような画像形成装置は、所望の視点を得るために、不安定な構造体に一層頻繁に取着されるようになってきているので、像安定化装置の必要性がより高まっている。今日使用されている焦点長さの大きいビデオレンズを用いた場合には、スタジオのコンクリートの床に置いた三脚台であっても、望ましくない動きを伝えて、撮影即ちショットを台無しにする可能性がある。足場、クレーン及び移動車両はいずれも、有意のレベルの動きを伝えるので、焦点長さの大きい画像装置の使用が制限されてしまう。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
かかる問題は、1972年2月1日付けで付与されたリービット(Leavitt)等の米国特許第3,638,502号及び1991年2月5日付けで付与されたグッドマンの米国特許第4,989,466号に記載されているような被安定化プラットホームシステム即ち装置を使用することにより解消することができる。しかしながら、これらの特許に記載されているプラットホーム装置は、例えば、複雑であり、サイズが大きく、しかも重量があるといったような多くの欠点をもっている。
【0004】
1999年4月27日に付与されたトリッチュー(Tritchew)等の米国特許第5,897,223号には、支持構造体の角運動及び並進振動からペイロードを隔離する改良された被安定化プラットホームが記載されている。本明細書においては、この米国特許を引用してその説明に代える。このプラットホーム装置は、ペイロードを担持する内側ジンバルと、ピッチ軸、ロール軸及びヨー軸を中心とする限定された量の角運動を内側ジンバルが行うことができるように内側ジンバルを担持するばね付勢されたシェル(sprung shell)と、ばね付勢されたシェル及び内側ジンバルを含む外側ジンバルと、ばね付勢シェルと外側ジンバルとの間に連結されるとともに、ばね付勢シェルの両側に対称に配列された2つの減衰コイルばねが配置されている受動振動アイソレータとを有している。内側ジンバルと外側ジンバルとの間で測定される角度位置は、エラー信号として使用されて、外側ジンバルを内側ジンバルに追従するように駆動することにより、大きな範囲のステアリング動作を許容するようになっている。
【0005】
このように構成された、トリッチューの特許、即ち、米国特許第5,897,223号に記載のプラットホーム装置は、上記したリービット等の特許及びグッドマンの特許を改良するものであるが、ユニバーサルジョイントと支持構造体が、依然として、内側ジンバルの中央領域を占有している。大型のビデオカメラ及びフィルムカメラのような単一のセンサを使用する場合には、トリッチューの特許のプラットホーム装置では、大型の釣合重りを使用することにより、センサを中央のピボットを中心として釣り合わせる必要がある。従って、このようなセンサに対するかかるプラットホームのサイズと重量は、有意のものとなる。
【0006】
中央領域を開放する従来のジンバル方法は、支持軸を介して互いに直交して連結されるとともに、ペイロードの周囲に配置された大型のジンバルリングを使用する必要がある。かかる大型のリングは、構造的な共振及び慣性作用により装置の性能を制限するものとなる。
【0007】
このような先行技術のプラットホーム装置が遭遇する別の問題点として、映画及び放送産業において現在使用されている標準的なフィルムまたはビデオのカメラパッケージにかかる装置を適用することが困難であるということがある。これに代えて、特注のカメラパッケージが、ジンバル装置に関して操作することができるように設計されている。ある程度の互換性がこれらの装置に組み込まれているが、このカメラパッケージは、注文設計の特性を依然として有するものとなっている。
【0008】
標準的なカメラパッケージを利用することができるように、数多くの非安定化カメラステアリングヘッドが開発されている。かかるステアリングヘッドは、カメラの望ましくない動きに寄与する低周波の構造的な共振を起こしやすい大きな開放構造体を備える傾向にある。このようなステアリングヘッドを安定化させるために、幾つかの試みがなされている。しかしながら、これらの大型の開放構造体のトルクは、得られる装置の帯域幅を著しく制限するものとなる。
【0009】
本発明の目的は、先行技術の上記した課題を少なくとも実質上解決することができる被安定化プラットホーム装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ペイロードを支持構造体の角運動(angular motion)から隔離する被安定化プラットホーム装置が提供されている。この被安定化プラットホーム装置は、支持構造体に固定自在になっているベース集成体と、ベース集成体に担持されかつ2つ以上の異なる軸線を中心にベース集成体に対して角運動を行うように取着されたペイロード安定化集成体(payload stabilizing assembly)とを備えている。軸線のうち第1の軸線以外の軸線の各々はそれぞれの先行順位の軸線を中心として回動する。軸線の少なくとも1つは、その先行順位の軸線に対して非直角をなすとともに、ベース集成体に対して制限された角運動を行うように取着されている。軸線は、共通のポイント(common point)において遭遇する延長部を有しており、共通のポイントは、ペイロードの周辺部内にあるのが好ましい。なお、先行順位の軸線は、複数の軸線を第1の軸線、第2の軸線、第3の軸線などど番号を付して区別したとき、先の順位にある軸線を意味するものであり、第2の軸線の先行順位の軸線は第1の軸線であり、第3の軸線の先行順位の軸線は第2の軸線である。
【0011】
ペイロード安定化集成体は、3つの軸線を中心にベース集成体に対して角運動を行うように取着されており、前記3つの軸線のうちの第1の軸線を中心としてベース集成体に対して制限された角運動を行うようにベース集成体に1端が回動自在に取着された第1の角度調整アーム(angular adjustment arm)と、前記3つの軸線のうちの第2の軸線を中心として第1の角度調整アームに対して制限された角運動を行うように第1の角度調整アームの別の端部に1端が回動自在に取着された第2の角度調整アームと、前記3つの軸線のうちの第3の軸線を中心として第2の角度調整アームに対して制限された角運動を行うように第2の角度調整アームの別の端部に回動自在に取着されたペイロードキャリヤとを備えることができる。
【0012】
プラットホーム装置はまた、少なくとも3つの磁気トルクモータのアレイを備えることができ、各モータはベース集成体により担持される電気励磁(electrically energizable)コイル部及びペイロード安定化集成体により担持される磁気構造部を有し、各磁気トルクモータはペイロード安定化集成体を位置決めする力が印加される能動軸(active axis)を有するとともに、他の2つの軸を中心とする運動の自由度を有しており、プラットホーム装置は更に、いずれかの回転軸を中心として制御されたモーメントをペイロード安定化集成体に印加するようにモータの励磁を制御するコントローラを備えることができる。
【0013】
被安定化プラットホーム装置は、第1の部分がベース集成体に担持され、第2の部分がペイロード安定化集成体により担持されるとともに、エアギャップが前記第1の部分と第2の部分との間に画成された少なくとも1つの容量角度センサ(capacitive angle sensor)を備えることができ、前記容量角度センサは、第1の部分と第2の部分との相対的な動きに応答することによりベース集成体に対するペイロード安定化集成体の角度位置を示す信号を提供するように構成することができる。
【0014】
ペイロード安定化集成体は、所定の軸線を中心とするペイロード安定化集成体の角運動の信号を提供するように動作する少なくとも1つの角速度センサを担持することができる。
【0015】
角速度センサは、繊維光学ジャイロとすることができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、添付図面に示す実施の形態に関して説明する。
【0017】
図1について説明すると、カメラのブームのような支持構造体(図示せず)に固着することができる、ベース集成体の形態をなした外側ジンバルと、ペイロード安定化集成体の形態をなす内側ジンバルと、2個構成のケーシング16とを有する被安定化プラットホーム装置が示されている。
【0018】
ベース集成体12は、支持構造体に対してボルト(図示せず)により固定することができる8角形のベース部材18を有している。ベース部材18は、周辺に略等間隔で離隔配置され、かつ、上方及び外方へ斜めに延びるように配置された4つのトルクモータの電気励磁コイル部20を担持している。この種のトルクモータは、上記した米国特許第5,897,223号において、より詳細に説明されている。ベース部材18はまた、隣接した対をなすモータコイル部20間に配置され、かつ、ベース部材18の周辺部から上方及び外方へ斜めに延びる1対の容量角度センサの、直径方向に対向する容量センサアレイ22を担持している。この種の容量角度センサもまた、米国特許第5,897,223号において説明されている。
【0019】
ベース部材18の中央部には、以下において一層詳細に説明するように、ペイロード安定化集成体14の動きを制限する円形のストップ部24が設けられている。ベース部材18はまた、ベース部材18の周辺部から上方及び外方へ延びるとともに、隣接した対をなすモータコイル部20間に配置されている、ペイロード安定化集成体14の取り付けアーム26を担持しており、容量センサアレイ22を挟持する1対のモータコイル部20が取り付けアーム26のそれぞれの側に配置されるようになっている。
【0020】
次に、図2及び3について説明すると、ペイロード安定化集成体14は、ベース集成体12の取り付けアーム26にボルト(図示せず)により固定することができる取り付けアーム28を有している。参照番号30で示されている第1の角度調整アームが配設されており、この調整アーム30は、一端が、以下においてより詳細に説明するように上方及び内方へ傾斜して画定されている軸線A(第1の軸線)を中心として取り付けアーム28に対して制限された量の角運動を行うことができるように、取り付けアーム28にベアリング32により回動自在に取着されている。第2の角度調整アーム34が配設されており、この第2の角度調整調整アーム34は、一端が、以下において一層詳細に説明するように、上方及び内方へ傾斜して画定された軸線B(第2の軸線)を中心として第1の調整アーム30に対して制限された量の角運動を行うことができるように、第1の調整アーム30の他端にベアリング36により回動自在に取着されている。
【0021】
ペイロードキャリヤ40が、垂直軸線C(第3の軸線)を中心として、第2の調整アーム34に対して制限された量の角運動を行うことができるように、第2の調整アーム34の他端にベアリング42により回動自在に取着されている。軸線A、B及びCは、延長すると、ペイロード安定化集成体から上方へ幾分離れた距離のところにあり、かつ、ペイロードが取着されたときに、ペイロード(図示せず)の周辺部内にあるポイントDにおいて遭遇する。図1に示すように、安定化集成体14の直交するロール(role)軸x、ピッチ(pitch)軸y及びヨー(yaw)軸zは、軸線A、B及びCが遭遇するポイントDにおいて遭遇するとともに、該ポイントを通過するように画定されている。
【0022】
図1及び2について再度説明すると、取り付けプレート44が、ペイロードキャリヤ40の底部に適宜の態様で固定されており、取り付けプレート44は、ベース集成体12に配設された構成部材と連係するモータ及びセンサ素子を担持している。かくして、取り付けプレート44は、周辺部に略等間隔で離隔配置され、かつ、ベース集成体12に取着された電気励磁コイル部20と協働するように角度をなして配置された4つのトルクモータの磁気構造体部46を担持している。同様に、取り付けプレート44もまた、隣接した対をなす磁気構造体部46間に配置され、かつ、ベース集成体48の容量センサアレイ22と協働するように角度をなして配置されている2つの容量角度センサの容量励磁プレート48を担持している。ペイロードキャリヤ40はまた、繊維光学ジャイロ(FOG)50のような角速度センサ(angular rate sensor)を担持している。この角速度センサは、米国特許第5,897,223号に記載されているのと同じ態様で使用することができる。
【0023】
安定化集成体14はまた、ペイロードキャリヤ40の頂部にボルト(図示せず)により固定されたペイロードインターフェースプレート52を有している。環状構造部材54が、安定化集成体14の取り付けアーム28の頂部と、ベース部材18に配置されかつモータコイル部20及び容量センサアレイ22が取着された取り付けプレート21、23の上端部と、更には取り付けアーム26の上端部とにボルト(図示せず)により固定されている。
【0024】
図4には、調整アームベアリング32、36及び42の構造が示されている。各ベアリングは、ベアリングシャフト60と、2つのベアリング部材62と、下端部に配設されたベアリングキャップ64と、上端部に配設された保持リング66と、シャフト保持ピン68とを有している。
【0025】
図5には、磁気トルクモータの1つがより詳細に示されている。即ち、図5には、ベース集成体12により担持された電気励磁コイル部20と、安定化集成体14により担持されている磁気構造体部46とが示されている。かかる構成は、米国特許第5,897,223号において、一層詳細に説明されている。
【0026】
図6には、4つの磁気トルクモータ20、46及び2つの容量角度センサ22、48と、図1及び3に示すピボット軸A、B及びCの集束点Dに対するこれらの部材の関係が、平面図として示されている。
【0027】
図7は、同じ構成部材に関する図1乃至3と同様の斜視図である。
【0028】
図8は、本発明の上記した実施の形態の制御装置のブロック図である。制御装置は、1つのマイクロプロセッサを基本としており、米国特許第5,897,223号に記載の制御装置と略同様に構成されている。
【0029】
このマイクロプロセッサの主たる制御アルゴリズムが、この図において別個のブロックとして示されている。ペイロードキャリヤ40に取着された角速度センサ(即ちFOG)アレイ50は、慣性座標(inertial coordinate)に対するキャリヤ40の回転速度を検出する。外部ステアリング指令70がない(即ち零の要求速度(demanded rate)の)場合には、プロセッサの内側ジンバル制御アルゴリズムは計算を行い、トルクモータアレイ20が負のフィードバックの主体(principal)を使用して内側ジンバルに小さな補正モーメントを印加することにより、空間におけるペイロード安定化集成体の角度配向を保持する。容量角度センサ22は、3つの直交軸線を中心とするベース集成体12とペイロード安定化集成体14との間の角度変位を感知する。
【0030】
プロセッサの外側ジンバル制御アルゴリズムは、3つの角度変位を、外部の追従装置の軸線即ちサーボ軸線と整合された成分に分析する。次に、これらの変位を利用して、ステアリング指令をつくって追従ステアリング装置を駆動することにより、容量センサ22の3つの角度変位のそれぞれを無効にし、即ち、これらのセンサを連続して中心に配置し、追従ステアリング装置がペイロード安定化集成体14の配向に従うようにさせる。追従ステアリング装置からの位置フィードバックは、かかる情報が利用されるときに、外側ジンバル制御アルゴリズムの一部として使用することができる。
【0031】
外部ステアリング信号70があるときには、これらの信号は、容量角度センサアレイにより支持される角度と、(利用することができる場合には)追従ステアリング装置からフィードバックされる位置とを使用して、角速度感知軸線X、Y及びZ軸と整合された3つの角速度ベクトル成分に分析され、ペイロード安定化集成体14の現在の配向位置を定める。3つの負のフィードバック制御ループは、次に、ペイロード安定化集成体14を駆動し、外部速度ステアリング信号に追従する。外側ジンバル制御アルゴリズムにより、追従ステアリング装置は、動いているペイロード安定化集成体14に上記したように追従する。
【0032】
ペイロード安定化集成体14の配向が、空間において固定保持されている場合には、アース(earth)は1時間あたり15度の速度で回転し、カメラの地平線の画像を、この速度のある成分で見かけ上回転させる。ペイロード安定化集成体14に取着されているピッチ及びロール傾斜計(inclinometer)を使用して自動速度ステアリング信号を発生させ、カメラの画像のレベルを水平に保持することができる。
【0033】
別のステアリングモード(追従モード)が、容量センサ22により測定されたこの3つの角度変位を使用して3つのステアリング指令70を発生させ、容量センサ22のこれらの変位のそれぞれを無効にし、即ち、これらのセンサを連続的に中心におくことにより、ペイロード安定化集成体14を支持構造体の配向に従わせることができる。かかるモードにおいては、被安定化プラットホームは、ペイロードと支持構造体との間で低域フィルタとして作用する。このようなステアリングモードは、三脚台及び手動ステアリングヘッドとともに使用することができる。
【0034】
2つの回転軸線だけとするように1つの調整アームを省略することができる。あるいは、更なる調整アームを設けて回転軸線を4つにすることができる。
【0035】
当業者にとって、本発明の別の実施の形態は明らかである。本発明の範囲は、特許請求の範囲に定められる。
【0036】
【発明の効果】
本発明の被安定化プラットホーム装置は、以上のように構成されているので、従来技術が有する課題を実質上解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】被安定化プラットホーム装置の分解斜視図である。
【図2】本発明の一の実施例に係る被安定化プラットホーム装置の斜視図であり、幾つかの部材を省略して他の部材を一層明瞭に示している。
【図3】図1及び2に示すプラットホームに組み込まれているユニバーサルジョイント構造体の斜視図である。
【図4】図3に示すユニバーサルジョイント構造体の分解斜視図である。
【図5】プラットホーム装置に組み込まれている磁気トルクモータの1つを示す斜視図である。
【図6】プラットホーム装置に組み込まれているトルクモータと容量センサアレイを示す図である。
【図7】図6に示すトルクモータ及び容量角度センサアレイを示す斜視図である。
【図8】プラットホーム装置の制御装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
12 ベース集成体
14 ペイロード安定化集成体
16 2個構成のケーシング
18 ベース部材
20 電気励磁コイル部
22 容量センサアレイ
24 ストップ部
26 取り付けアーム
28 取り付けアーム
30 角度調整アーム
32 ベアリング
34 角度調整アーム
36 ステアリング
40 ペイロードキャリヤ
42 ベアリング
44 取り付けプレート
46 磁気構造体部
48 ベース集成体
52 ペイロードインターフェースプレート
54 構造部材
60 ベアリングシャフト
62 ベアリング部材
64 ベアリングキャップ
66 ベアリングリング
68 シャフト保持ピン
70 外部ステアリング指令
A 軸線
B 軸線
C 軸線
D ポイント
x ロール軸
y ピッチ軸
z ヨー軸
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a stabilized platform system for isolating a payload from the angular motion of a support structure.
[0002]
[Prior art]
Image forming devices, such as movie cameras and video cameras, are becoming more frequently attached to unstable structures in order to obtain the desired viewpoint, so the need for image stabilization devices Is growing more. With the large focal length video lens used today, even a tripod stand placed on a concrete floor in a studio could convey unwanted movement and ruin the shot or shot There is. Scaffolds, cranes and moving vehicles all convey significant levels of motion, which limits the use of imaging devices with large focal lengths.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Such problems are discussed in US Pat. No. 3,638,502 to Leavitt et al., Issued February 1, 1972, and U.S. Pat. No. 4,989, issued February 5, 1991. , 466, which can be solved by using a stabilized platform system or apparatus. However, the platform devices described in these patents have a number of disadvantages, such as being complex, large in size and heavy.
[0004]
US Pat. No. 5,897,223 issued April 27, 1999 to Tritchew et al. Describes an improved stabilized platform that isolates the payload from angular motion and translational vibration of the support structure. Are listed. In this specification, this U.S. patent is cited and replaced by its description. The platform device includes an inner gimbal that carries a payload and a spring bias that carries the inner gimbal so that the inner gimbal can perform a limited amount of angular motion about the pitch, roll, and yaw axes. A sprung shell, an outer gimbal including a spring biased shell and an inner gimbal, coupled between the spring biased shell and the outer gimbal and symmetrically arranged on both sides of the spring biased shell And a passive vibration isolator on which two damping coil springs are arranged. The angular position measured between the inner and outer gimbals is used as an error signal to drive a larger range of steering movements by driving the outer gimbals to follow the inner gimbals. Yes.
[0005]
The thus constructed Trichut patent, ie, the platform device described in US Pat. No. 5,897,223, improves on the above-mentioned Lebitt et al. Patent and Goodman patent. The support structure still occupies the central area of the inner gimbal. When using a single sensor, such as a large video camera and film camera, Tritchu's patented platform device uses a large counterweight to balance the sensor around a central pivot. There is a need. Thus, the size and weight of such a platform for such sensors is significant.
[0006]
The conventional gimbal method for opening the central region requires the use of a large gimbal ring that is connected orthogonally to each other via a support shaft and arranged around the payload. Such large rings limit the performance of the device due to structural resonances and inertial effects.
[0007]
Another problem encountered with such prior art platform devices is that it is difficult to apply such devices to standard film or video camera packages currently used in the motion picture and broadcast industry. is there. Alternatively, a custom camera package is designed to be operable with respect to the gimbal device. Although some degree of compatibility is built into these devices, this camera package still has custom-designed characteristics.
[0008]
A number of unstabilized camera steering heads have been developed so that standard camera packages can be used. Such steering heads tend to have large open structures that are prone to low-frequency structural resonances that contribute to undesirable camera movement. Several attempts have been made to stabilize such a steering head. However, the torque of these large open structures significantly limits the bandwidth of the resulting device.
[0009]
An object of the present invention is to provide a stabilized platform device that can at least substantially solve the above-described problems of the prior art.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In accordance with the present invention, a stabilized platform device is provided that isolates the payload from the angular motion of the support structure. The stabilized platform device includes a base assembly that is fixable to a support structure and an angular motion relative to the base assembly about two or more different axes that are carried by the base assembly. And a payload stabilizing assembly attached thereto. Each of the axes other than the first axis rotates about the axis of the preceding order. At least one of the axes, along with forming a non-right angle against the axis of the preceding rank, are attached so as to perform angular movements that are limited relative to the base assembly. The axis has an extension that is encountered at a common point, preferably the common point is in the periphery of the payload. The prior-order axis means an axis in the previous order when a plurality of axes are distinguished by numbering, such as the first axis, the second axis, and the third axis. The axis of precedence of the second axis is the first axis, and the axis of precedence of the third axis is the second axis.
[0011]
The payload stabilization assembly is attached to perform angular motion with respect to the base assembly about three axes , and the payload stabilization assembly is relative to the base assembly about the first of the three axes. A first angular adjustment arm having one end pivotally attached to the base assembly so as to perform a limited angular movement, and a second axis of the three axes. A second angle adjusting arm having one end pivotally attached to another end of the first angle adjusting arm so as to perform a limited angular movement with respect to the first angle adjusting arm as a center; The other end of the second angle adjustment arm is pivotably mounted so as to perform a limited angular movement with respect to the second angle adjustment arm about the third axis of the three axes. And a loaded payload carrier.
[0012]
The platform device can also include an array of at least three magnetic torque motors, each motor being an electrically energizable coil portion carried by the base assembly and a magnetic structure portion carried by the payload stabilizing assembly. Each magnetic torque motor has an active axis to which a force to position the payload stabilization assembly is applied and has freedom of movement about the other two axes The platform device may further comprise a controller that controls the excitation of the motor so as to apply a controlled moment about the axis of rotation to the payload stabilizing assembly.
[0013]
The stabilized platform device includes a first portion carried by the base assembly, a second portion carried by the payload stabilization assembly, and an air gap between the first portion and the second portion. At least one capacitive angle sensor defined therebetween, wherein the capacitive angle sensor is based on responsive to relative movement of the first and second portions. It can be configured to provide a signal indicative of the angular position of the payload stabilization assembly relative to the assembly.
[0014]
The payload stabilization assembly can carry at least one angular velocity sensor that operates to provide a signal of the angular motion of the payload stabilization assembly about a predetermined axis.
[0015]
The angular velocity sensor can be a fiber optic gyro.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention will be described below with reference to embodiments shown in the accompanying drawings.
[0017]
Referring to FIG. 1, an outer gimbal in the form of a base assembly and an inner gimbal in the form of a payload stabilization assembly that can be secured to a support structure (not shown) such as a camera boom. And a stabilized platform device having a two-piece casing 16 is shown.
[0018]
The base assembly 12 has an octagonal base member 18 that can be secured to the support structure with bolts (not shown). The base member 18 carries four electric excitation coil portions 20 of four torque motors that are spaced apart at substantially equal intervals around the base member 18 and obliquely extend upward and outward. This type of torque motor is described in more detail in the aforementioned US Pat. No. 5,897,223. The base member 18 is also disposed between adjacent pairs of motor coil portions 20 and diametrically opposes a pair of capacitive angle sensors extending obliquely upward and outward from the periphery of the base member 18. A capacitive sensor array 22 is carried. This type of capacitive angle sensor is also described in US Pat. No. 5,897,223.
[0019]
A circular stop 24 is provided in the central portion of the base member 18 to limit the movement of the payload stabilization assembly 14 as will be described in more detail below. The base member 18 also carries a mounting arm 26 for the payload stabilization assembly 14 that extends upward and outward from the periphery of the base member 18 and is disposed between adjacent pairs of motor coil portions 20. A pair of motor coil sections 20 that sandwich the capacitive sensor array 22 are arranged on each side of the mounting arm 26.
[0020]
2 and 3, the payload stabilization assembly 14 has a mounting arm 28 that can be secured to the mounting arm 26 of the base assembly 12 by bolts (not shown). A first angle adjustment arm, indicated by reference numeral 30, is disposed, the adjustment arm 30 being defined with one end inclined upward and inward as will be described in more detail below. The mounting arm 28 is pivotally attached to the mounting arm 28 by a bearing 32 so that a limited amount of angular movement can be performed with respect to the mounting arm 28 about the axis A (first axis) . A second angle adjustment arm 34 is disposed, the second angle adjustment arm 34 having an axis defined at one end inclined upward and inward as will be described in more detail below. The other end of the first adjustment arm 30 is pivotable by a bearing 36 so that a limited amount of angular movement can be performed with respect to the first adjustment arm 30 about B (second axis). Has been attached to.
[0021]
The other of the second adjustment arm 34 so that the payload carrier 40 can perform a limited amount of angular movement relative to the second adjustment arm 34 about the vertical axis C (third axis). It is rotatably attached to the end by a bearing 42. Axes A, B, and C, when extended, are some distance away from the payload stabilization assembly and when the payload is attached, within the periphery of the payload (not shown) Encounter at some point D. As shown in FIG. 1, the orthogonal roll axis x, pitch axis y and yaw axis z of the stabilization assembly 14 are encountered at points D where the axes A, B and C are encountered. And is defined to pass through the point.
[0022]
Referring again to FIGS. 1 and 2, a mounting plate 44 is secured to the bottom of the payload carrier 40 in any suitable manner, and the mounting plate 44 includes a motor associated with components disposed in the base assembly 12 and It carries a sensor element. Thus, the mounting plate 44 has four torques that are spaced apart at substantially equal intervals around the periphery and at an angle to cooperate with the electrical excitation coil section 20 attached to the base assembly 12. It carries a magnetic structure 46 of the motor. Similarly, the mounting plate 44 is also disposed between adjacent pairs of magnetic structures 46 and is angled to cooperate with the capacitive sensor array 22 of the base assembly 48 2. It carries a capacitive excitation plate 48 of two capacitive angle sensors. The payload carrier 40 also carries an angular rate sensor, such as a fiber optic gyro (FOG) 50. This angular velocity sensor can be used in the same manner as described in US Pat. No. 5,897,223.
[0023]
The stabilizing assembly 14 also has a payload interface plate 52 secured to the top of the payload carrier 40 by bolts (not shown). An annular structural member 54 is formed at the top of the mounting arm 28 of the stabilization assembly 14, and the upper ends of the mounting plates 21 and 23 disposed on the base member 18 and having the motor coil section 20 and the capacitive sensor array 22 attached thereto, Further, it is fixed to the upper end portion of the mounting arm 26 with a bolt (not shown).
[0024]
FIG. 4 shows the structure of the adjustment arm bearings 32, 36 and 42. Each bearing has a bearing shaft 60, two bearing members 62, a bearing cap 64 disposed at the lower end, a retaining ring 66 disposed at the upper end, and a shaft retaining pin 68. .
[0025]
FIG. 5 shows one of the magnetic torque motors in more detail. That is, FIG. 5 shows the electric excitation coil portion 20 carried by the base assembly 12 and the magnetic structure portion 46 carried by the stabilization assembly 14. Such an arrangement is described in more detail in US Pat. No. 5,897,223.
[0026]
FIG. 6 shows the relationship between the four magnetic torque motors 20 and 46 and the two capacitive angle sensors 22 and 48 and the focusing points D of the pivot axes A, B and C shown in FIGS. It is shown as a diagram.
[0027]
FIG. 7 is a perspective view similar to FIGS. 1 to 3 regarding the same components.
[0028]
FIG. 8 is a block diagram of the control device according to the above-described embodiment of the present invention. The control device is based on one microprocessor and is configured in substantially the same manner as the control device described in US Pat. No. 5,897,223.
[0029]
The main control algorithm of this microprocessor is shown as a separate block in this figure. An angular velocity sensor (or FOG) array 50 attached to the payload carrier 40 detects the rotational speed of the carrier 40 relative to the inertial coordinate. In the absence of an external steering command 70 (i.e., zero demanded rate), the processor's inner gimbal control algorithm performs the calculation and the torque motor array 20 uses a negative feedback principal. Applying a small correction moment to the inner gimbal preserves the angular orientation of the payload stabilizing assembly in space. The capacitive angle sensor 22 senses the angular displacement between the base assembly 12 and the payload stabilization assembly 14 about three orthogonal axes.
[0030]
The processor's outer gimbal control algorithm analyzes the three angular displacements into components that are aligned with the axis of the external follower or servo axis. Next, by using these displacements, a steering command is generated to drive the follow-up steering device, thereby invalidating each of the three angular displacements of the capacitive sensor 22, that is, continuously centering these sensors. Position and cause the tracking steering device to follow the orientation of the payload stabilization assembly 14. Position feedback from the tracking steering device can be used as part of the outer gimbal control algorithm when such information is utilized.
[0031]
When there is an external steering signal 70, these signals are sensed using the angle supported by the capacitive angle sensor array and the position fed back from the tracking steering device (if available). Analyzed into three angular velocity vector components aligned with the axis X, Y, and Z axes to determine the current orientation position of the payload stabilization assembly 14. The three negative feedback control loops then drive the payload stabilization assembly 14 to follow the external speed steering signal. With the outer gimbal control algorithm, the tracking steering device follows the moving payload stabilization assembly 14 as described above.
[0032]
If the orientation of the payload stabilization assembly 14 is held fixed in space, the earth rotates at a rate of 15 degrees per hour, and the camera horizon image is represented by this velocity component. Rotate apparently. A pitch and roll inclinometer attached to the payload stabilization assembly 14 can be used to generate an automatic speed steering signal to keep the camera image level horizontal.
[0033]
Another steering mode (follow-up mode) uses the three angular displacements measured by the capacitive sensor 22 to generate three steering commands 70 and invalidates each of these displacements of the capacitive sensor 22, ie By continuously centering these sensors, the payload stabilization assembly 14 can be made to follow the orientation of the support structure. In such a mode, the stabilized platform acts as a low pass filter between the payload and the support structure. Such a steering mode can be used with a tripod and a manual steering head.
[0034]
One adjustment arm can be omitted so that there are only two rotation axes. Alternatively, a further adjustment arm can be provided to provide four rotation axes.
[0035]
Other embodiments of the present invention will be apparent to those skilled in the art. The scope of the invention is defined in the claims.
[0036]
【The invention's effect】
Since the stabilized platform device of the present invention is configured as described above, the problems of the prior art can be substantially solved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a stabilized platform device.
FIG. 2 is a perspective view of a stabilized platform device according to one embodiment of the present invention, omitting some members and showing other members more clearly.
FIG. 3 is a perspective view of a universal joint structure incorporated in the platform shown in FIGS. 1 and 2;
4 is an exploded perspective view of the universal joint structure shown in FIG. 3;
FIG. 5 is a perspective view showing one of the magnetic torque motors incorporated in the platform device.
FIG. 6 is a diagram showing a torque motor and a capacity sensor array incorporated in the platform device.
7 is a perspective view showing the torque motor and the capacity angle sensor array shown in FIG. 6. FIG.
FIG. 8 is a block diagram showing a control device of the platform device.
[Explanation of symbols]
12 Base assembly 14 Payload stabilization assembly 16 Two-piece casing 18 Base member 20 Electric excitation coil portion 22 Capacitance sensor array 24 Stop portion 26 Mounting arm 28 Mounting arm 30 Angle adjustment arm 32 Bearing 34 Angle adjustment arm 36 Steering 40 Payload carrier 42 Bearing 44 Mounting plate 46 Magnetic structure 48 Base assembly 52 Payload interface plate 54 Structural member 60 Bearing shaft 62 Bearing member 64 Bearing cap 66 Bearing ring 68 Shaft holding pin 70 External steering command A Axis B B C C Axis D Point x Roll axis y Pitch axis z Yaw axis

Claims (8)

ペイロードを支持構造体の角運動から隔離する被安定化プラットホーム装置であって、
支持構造体に固定自在になっているベース集成体と、
ベース集成体に担持され、かつ、2つ以上の異なる軸線を中心にベース集成体に対して角運動を行うように取着されたペイロード安定化集成体とを備え、前記軸線のうち第1の軸線以外の軸線の各々はそれぞれの先行順位の軸線を中心として回動し、
軸線の少なくとも1つはその先行順位の軸線に対して非直角をなすとともに、ベース集成体に対して制限された角運動を行うように取着され、
前記軸線は共通のポイントにおいて遭遇する延長部を有することを特徴とする被安定化プラットホーム装置。
A stabilized platform device for isolating the payload from the angular motion of the support structure,
A base assembly that is freely fixed to the support structure;
A payload stabilizing assembly carried by the base assembly and attached to perform angular motion relative to the base assembly about two or more different axes, wherein the first of the axes Each axis other than the axis rotates about the axis of the respective precedence order,
At least one of the axes with forming a non-right angle against the axis of the preceding rank, is attached so as to perform angular movements that are limited relative to the base assembly,
A stabilized platform device, wherein the axes have extensions that meet at a common point.
ペイロードを支持構造体の角運動から隔離する被安定化プラットホーム装置であって、A stabilized platform device for isolating the payload from the angular motion of the support structure,
支持構造体に固定自在になっているベース集成体と、  A base assembly that is freely fixed to the support structure;
ベース集成体に担持され、かつ、2つ以上の異なる軸線を中心にベース集成体に対して角運動を行うように取着されたペイロード安定化集成体とを備え、前記軸線のうち第1の軸線以外の軸線の各々はそれぞれの先行順位の軸線を中心として回動し、  A payload stabilizing assembly carried by the base assembly and attached to perform angular motion relative to the base assembly about two or more different axes, wherein the first of the axes Each axis other than the axis rotates about the axis of the respective precedence order,
軸線の少なくとも1つはその先行順位の軸線に対して非直角をなすとともに、ベース集成体に対して制限された角運動を行うように取着され、  At least one of the axes is non-perpendicular to its predecessor axis and is attached to perform limited angular motion relative to the base assembly;
前記軸線は共通のポイントにおいて遭遇する延長部を有し、  The axes have extensions that are encountered at a common point;
前記2つ以上の異なる軸線は3つの軸線であり、  The two or more different axes are three axes;
ペイロード安定化集成体は、  The payload stabilization assembly is
前記3つの軸線のうちの第1の軸線を中心としてベース集成体に対して制限された角運動を行うようにベース集成体に1端が回動自在に取着された第1の角度調整アームと、  A first angle adjusting arm having one end pivotably attached to the base assembly so as to perform a limited angular movement with respect to the base assembly about the first axis of the three axes. When,
前記3つの軸線のうちの第2の軸線を中心として第1の角度調整アームに対して制限された角運動を行うように第1の角度調整アームの別の端部に1端が回動自在に取着された第2の角度調整アームと、  One end is freely rotatable at the other end of the first angle adjusting arm so as to perform limited angular movement with respect to the first angle adjusting arm around the second axis of the three axes. A second angle adjustment arm attached to
前記3つの軸線のうちの第3の軸線を中心として第2の角度調整アームに対して制限された角運動を行うように第2の角度調整アームの別の端部に回動自在に取着されたペイロードキャリヤとを備えることを特徴とする被安定化プラットホーム装置。  Attached to another end of the second angle adjusting arm so as to be pivotable with respect to the second angle adjusting arm around the third axis of the three axes. A stabilized platform device.
前記共通のポイントは前記ペイロードの周辺部内にあることを特徴とする請求項1または2に記載の被安定化プラットホーム装置。The stabilized platform device according to claim 1, wherein the common point is in a peripheral portion of the payload. 前記2つ以上の異なる軸線は3つの軸線であり、The two or more different axes are three axes;
ペイロード安定化集成体は、  The payload stabilization assembly is
前記3つの軸線のうちの第1の軸線を中心としてベース集成体に対して制限された角運動を行うようにベース集成体に1端が回動自在に取着された第1の角度調整アームと、  A first angle adjusting arm having one end pivotably attached to the base assembly so as to perform a limited angular movement with respect to the base assembly about the first axis of the three axes. When,
前記3つの軸線のうちの第2の軸線を中心として第1の角度調整アームに対して制限された角運動を行うように第1の角度調整アームの別の端部に1端が回動自在に取着された第2の角度調整アームと、  One end is freely rotatable at the other end of the first angle adjusting arm so as to perform limited angular movement with respect to the first angle adjusting arm around the second axis of the three axes. A second angle adjustment arm attached to
前記3つの軸線のうちの第3の軸線を中心として第2の角度調整アームに対して制限された角運動を行うように第2の角度調整アームの別の端部に回動自在に取着されたペイロードキャリヤとを備えることを特徴とする請求項1に記載の被安定化プラットホーム装置。  Attached to another end of the second angle adjusting arm so as to be pivotable with respect to the second angle adjusting arm around the third axis of the three axes. The stabilized platform device of claim 1, further comprising:
少なくとも3つの磁気トルクモータのアレイを備え、各モータはベース集成体により担持される電気励磁コイル部及びペイロード安定化集成体により担持される磁気構造部を有し、各磁気トルクモータはペイロード安定化集成体を位置決めする力が印加される能動軸を有するとともに他の2つの軸線を中心とする運動の自由度を有しており、更にいずれかの回転軸を中心として制御されたモーメントをペイロード安定化集成体に印加するようにモータの励磁を制御するコントローラを備えることを特徴とする請求項1または2に記載の被安定化プラットホーム装置。An array of at least three magnetic torque motors, each motor having an electrical excitation coil portion carried by the base assembly and a magnetic structure portion carried by the payload stabilization assembly, each magnetic torque motor having a payload stabilization It has an active axis to which the force for positioning the assembly is applied, and has freedom of movement around the other two axes, and further, a stable moment is payload-stable around one of the rotation axes. The stabilized platform device according to claim 1, further comprising a controller that controls excitation of the motor so as to be applied to the chemical assembly. 第1の部分がベース集成体に担持され、かつ、第2の部分がペイロード安定化集成体により担持されるとともに、エアギャップが前記第1の部分と第2の部分との間に画成されている少なくとも1つの容量角度センサを備えており、前記容量角度センサは前記第1の部分と前記第2の部分との相対的な動きに応答することによりベース集成体に対するペイロード安定化集成体の角度位置を示す信号を提供することを特徴とする請求項1または2に記載の被安定化プラットホーム装置。The first part is carried by the base assembly and the second part is carried by the payload stabilization assembly, and an air gap is defined between the first part and the second part. At least one capacitive angle sensor, wherein the capacitive angle sensor is responsive to relative movement of the first portion and the second portion to thereby provide a payload stabilizing assembly relative to a base assembly. 3. A stabilized platform device according to claim 1 or 2, characterized in that it provides a signal indicative of the angular position. ペイロード安定化集成体は、所定の軸を中心とするペイロード安定化集成体の角運動の信号を提供するように動作する少なくとも1つの角速度センサを担持することを特徴とする請求項1または2に記載の被安定化プラットホーム装置。3. The payload stabilization assembly carries at least one angular velocity sensor that operates to provide a signal of the angular motion of the payload stabilization assembly about a predetermined axis. A stabilized platform device as described. 角速度センサは繊維光学ジャイロであることを特徴とする請求項7に記載の被安定化プラットホーム装置。The stabilized platform device according to claim 7, wherein the angular velocity sensor is a fiber optic gyro.
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